전압과 전류

2026.03.15 16:50

전압과 전류는 전기 회로를 해석하기 위한 가장 기본적인 물리량이다.

쿨롱의 법칙과 전압

전자 1개의 전하량은 e = 1.6 × 10⁻¹⁹C이다. 역으로 1C은 약 6.25 × 10¹⁸개의 전자가 가진 전하량의 합이다.

서로 다른 극성의 전하 사이에는 인력이, 같은 극성의 전하 사이에는 척력(반발력)이 작용한다. 두 점 전하 Q₁, Q₂ 사이에 작용하는 힘은 쿨롱의 법칙으로 구한다.

F = k × (Q₁Q₂ / r²),  k = 9 × 10⁹

전위와 전압

전위(potential)란 어떤 전하가 다른 전하에 인력이나 척력을 작용시켜 이동시킬 수 있는 능력을 말한다. 전압은 이 전위의 차이, 즉 전위차이다. 서로 다른 전하량을 가진 두 지점 사이에 전위차가 존재하면 전하가 이동할 수 있는 조건이 만들어진다.

v = W / Q [V] = [J/C]

1V는 1C의 전하를 이동시키는 데 1J의 에너지가 소비되는 경우의 전위차이다.

전류(current)는 두 전하 사이에 형성된 전위차에 의해 전하가 이동하는 흐름이다.

i = Q / t [A] = dQ/dt
Q = ∫i dt

1A는 1초 동안 1C의 전하가 도체의 한 단면을 통과할 때의 전류이다. 전류의 방향은 양전하의 이동 방향으로 정의하며, 실제 전자의 이동 방향과는 반대이다. 회로도에서는 화살표로 표시한다.

직류와 교류

직류(DC): 시간이 지나도 크기와 방향이 변하지 않는 일정한 전류이다. 대문자 I로 표기한다. 건전지가 대표적이다.
교류(AC): 시간에 따라 값과 방향이 주기적으로 변하는 전류이다. 소문자 i로 표기한다. 가정용 220V 전원이 이에 해당한다.
맥류(rectified current): 교류전원을 정류하여 만든 직류전원이다. 다이오드 브리지 회로를 이용해 교류의 음의 반주기를 뒤집어 단방향 전류를 만든다.

직류값은 평균값으로 구한다.

직류값 = (1/T) ∫f(t) dt

정현파(sine wave)의 경우 양의 반주기와 음의 반주기가 상쇄되어 평균값은 0이다. 그래서 교류의 크기를 나타낼 때는 실효값(rms)을 쓴다.

실효값 = √((1/T) ∫f²(t) dt)

정현파의 최댓값이 K일 때 실효값은 K/√2 = 0.707K이다. 가정용 220V가 바로 이 실효값이다.

참조 방향

회로 해석에서는 소자에 흐르는 전류의 방향을 임의로 정한다. 이를 참조 방향이라 한다. 해석 결과 전류값이 음수로 나오면 실제 전류는 참조 방향과 반대로 흐르는 것이다.

수동부호규약(passive sign convention)이란, 전류의 기준 방향과 전압의 기준 극성을 임의로 지정할 수 있되, 일단 지정하면 모든 회로 방정식에서 이를 일관되게 적용해야 한다는 규칙이다.

수동소자: 전류가 전압강하를 발생시키는 방향으로 흐른다. 즉 전류가 전압의 (+) 단자로 들어간다. 수동부호규약을 만족한다. 저항(R), 인덕터(L), 커패시터(C)가 여기에 해당하며, 전기에너지를 소비한다.
능동소자: 전류가 전압의 (+) 단자에서 나오는 방향으로 흐른다. 수동부호규약을 만족하지 않으므로 전류값에 음의 부호가 붙는다. 건전지처럼 전기에너지를 공급하는 소자이다.

저항(R)은 전기 회로에서 전류의 흐름을 방해하는 특성이다. 단위는 옴(Ω)이며, 1Ω은 1V의 전압이 인가된 도체에 1A의 전류가 흐를 때의 저항이다.

컨덕턴스(G)는 저항의 역수로, 전류를 잘 흐르게 하는 정도를 나타낸다.

G = 1/R [S] (지멘스)

옴의 법칙은 저항 양단의 전압과 전류의 관계를 나타낸다.

v = Ri,  i = v/R,  R = v/i

저항 R에 전류가 흐르면 전압강하가 발생한다. 두 가지 극단적인 경우가 있다.

도선의 저항 특성

도선의 저항은 길이 L에 비례하고 단면적 A에 반비례한다.

R ∝ L / A

길이가 길수록, 두께가 가늘수록 저항이 높아진다. 긴 호스에 물을 흘리면 마찰이 커지고, 좁은 호스는 흐름을 더 방해하는 것과 같은 원리이다.

전원

전원은 전력 또는 에너지를 공급하는 능동소자이다.

독립전원: 다른 소자의 에너지값과 무관하게 독립적으로 에너지를 공급한다. 건전지가 대표적이다.
- 독립전압원: 양단 전압이 흐르는 전류에 완전히 독립적이다.
- 독립전류원: 흐르는 전류가 양단 전압에 완전히 독립적이다.
종속전원: 다른 소자에 흐르는 전류나 걸리는 전압에 의해 값이 조정되는 전원이다. 트랜지스터가 대표적이다. 제어 변수와 출력 변수의 조합에 따라 4종류가 있다.
- 전류제어 전류원(CCCS)
- 전압제어 전류원(VCCS)
- 전압제어 전압원(VCVS)
- 전류제어 전압원(CCVS)

전력

전력(Power)은 단위 시간당 소비하는 에너지이다.

P = W/t [W] = vi = i²R = v²/R

에너지는 전력의 시간 적분이다.

W = ∫P dt

수동부호규약 하에서 P > 0이면 해당 소자가 에너지를 소비하고 있고, P < 0이면 에너지를 공급하고 있다.

접지

접지(ground)는 회로에서 기준 전위를 0V로 설정하는 것이다. 모든 전압은 이 기준점에 대한 상대적인 값으로 측정된다.

참고